Tài liệu TIỂU LUẬN: Cơ chế hình thành và hoạt động của glycogen. Vai trò và ý nghĩa sinh học pdf

2.1 Trường hợp có chuỗi glucan sẵn Enzym glycogen synthase xúc tiến việc chuyển gốc glycosyl từ UDPG tới gắn vào đầu không khử C-4 của một phân tử glycogen có n gốc glucose có sẵn hình 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG………

TIỂU LUẬN

Cơ chế hình thành và hoạt động của glycogen

Vai trò và ý nghĩa sinh học

số phận chủ yếu như sau: có thể được dự trữ dưới dạng polysaccarid hoặc saccarose, được oxy hóa để tạo thành hợp chất ba cacbon ( pyruvat) theo con đường đường phân hoặc oxy hóa để tạo thành các pentose theo con đường pentose phosphat.

Cũng giống như tất cả các con đường chuyển hóa, chuyển hóa glucid cũng được cơ thể điều hòa một cách chặt chẽ Để biết được sự điều hòa nó diễn ra như thế nào, ảnh

hưởng của cơ thể khi có hay không có cơ chế này nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “ Cơ

chế hình thành và hoạt động của glycogen Vai trò và ý nghĩa sinh học”

NỘI DUNG

1 Cấu tạo của glycogen

Glycogen là chất dự trữ glucid của động vật, có thể coi glycogen như là "tinh bột" của động vật, vì nó cũng gồm 2 liên kết α -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh bột ở chỗ là sự rẽ nhánh rậm rạp hơn, cứ cách 8-10 phân tử glucose có một liên kết nhánh α-D 1-6 Glycogen có nhiều ở gan ( chiếm 5-7% khối lượng của gan) ở cơ nó chiếm 2% khối lượng của cơ, do khối lượng cơ là lớn nên glycogen có ở cơ là chính Hàm lượng này có thể biến động phụ thuộc vào dinh dưỡng và trạng thái sinh lý (đói, no, lao động, ngủ, thức )

Hình 2.1 Phosphoryl hóa glucose

Tuy nhiên, phần lớn G6P lại là sản phẩm của con đường tân tạo glucose; glucose trong thức ăn được hấp thu vào máu, biến đổi thành lactat rồi được gan thu nhận và biến đổi thành G6P Từ G6P, nó được đồng phân hóa thuận nghịch thành G1P nhờ

2.1 Trường hợp có chuỗi glucan sẵn

Enzym glycogen synthase xúc tiến việc chuyển gốc glycosyl từ UDPG tới gắn vào đầu không khử (C-4) của một phân tử glycogen có n gốc glucose có sẵn (hình 8.24) để tạo thêm một liên kết mới (α -1→4) glucosid, nghĩa là tạo thành glycogen có n+1 gốc glucose

Hình 2.5 Sự tạo thành một điểm nhánh (α-1→6) trong quá trình tổng hợp

glycogen bởi enzym gắn nhánh

Sau đó mạch nhánh mới tạo thành lại được kéo dài ra nhờ tác dụng của enzym glycogen synthase dẫn đến tạo các liên kết mới (α-1→4) glycosid Quá trình trên được lặp lại làm cho số lượng mạch nhánh tăng dần lên cho đến khi đạt được một phân tử glycogen có cấu trúc phù hợp với nhu cầu của tế bào

Như vậy, tác dụng sinh học của sự gắn nhánh là làm cho phân tử glycogen dễ tan hơn

và số đầu không khử của nó tăng lên, do đó phản ứng được nhiều hơn với cả glycogen phosphorylase và glycogen synthase

2.2 Trường hợp không có chuỗi glucan sẵn

Mở đầu cho quá trình tổng hợp glycogen cần phải có một chất mồi protein gọi là

glycogenin (M≈ 37284): chất này được tìm thấy ở đầu khử của các phân tử glycogen Quá trình tổng hợp diễn biến theo 5 giai đoạn (hình 2.6):

- Giai đoạn 1: Một gốc glucose từ UDPG gắn vào gốc Tyr194 của glycogenin nhờ xúc tác của protein-tyrosine-glycosyl transferase

- Giai đoạn 2: Tạo phức hợp của glycogenin đã gắn glucose với glycogen synthase theo tỉ lệ 1:1

- Giai đoạn 3: Kéo dài chuỗi glucan cho tới khi tạo chuỗi gồm 7 gốc glucose hay nhiều hơn Mỗi gốc glucose mới gắn vào đều đi từ UDPG và đó là những phản ứng tự xúc tác thông qua glycosyl transferase của glycogenin

- Giai đoạn 4: Glycogen synthase tách dần khỏi glycogenin

- Giai đoạn 5: Hoàn thành phân tử glycogen nhờ phối hợp tác dụng của glycogen synthase và enzym gắn nhánh (glycogen branching enzym) Cuối cùng,

glycogenin vẫn gắn vào một đầu của phân tử glycogen đã được tạo thành

Hình 2.6 Tổng hợp glycogen bằng một chất mồi protein (Glycogenin)

3 Cơ chế hoạt động của glycogen (thoái hóa glycogen)

Quá trình này xảy ra chủ yếu ở các tế bào gan Trong cơ thể người và động vật,

glycogen là dạng dự trữ của mọi tế bào Trong đó, gan rồi đến cơ có tỉ lệ glycogen trên tổ chức là cao hơn cả Ở mô gan, sự thoái hóa glycogen, ngoài mục đích cung cấp glucose cho chính nó còn tạo ra một lượng lớn glucose tự do theo máu ngoại biên để cung cấp cho các mô khác Vì vậy, ở các thời điểm xa bữa ăn (lúc đói), sự thoái hóa glycogen của gan có vai trò quan trọng trong sự điều hòa hàm lượng glucose trong máu

Ở tổ chức cơ , khi tế bào hoạt động, sự tiêu hao năng lượng đòi hỏi phải được cung cấp một lượng lớn Glucose để thoái hóa Ngoài nguồn glucose do máu mang đến, tế bào

cơ phải thoái hóa rất mạnh glycogen dự trữ để tạo glucose- 6- phosphat cho quá trình đốt cháy

Sự thoái hóa glycogen đến glucose trong các tế bào được thực hiện nhờ một hệ

thống enzyme bao gồm: phosphorylase là enzyme thủy phân các liên kết α 1-4-glucosid

với sự tham gia của một gốc phosphate, giải phóng các phân tử glucose 1 phosphat ở đầu tận cùng của mạch polysaccarid Phosphorylase tồn tại dưới dạng 2 phân tử: dạng

phosphorylase a hay phosphophosphorylase là dạng hoạt động, trong phân tử có gắn gốc phosphate và gốc serin của nó Phosphorylase b là dạng không hoạt động

(dephosphophosphorylase), trong phân tử không chứa gốc phosphate Hai dạng này, tùy thuộc tình trạng chuyển hóa glycogen trong mô, có thể chuyển hóa qua lại nhờ hệ thống enzyme kinase (gắn gốc phosphat) hoặc phosphatase (tách gốc phosphat):

2 Phosphorylase + 4 ATP phosphorylase b kinase Phosphorylase a + 4 ADP

Phosphorylase

Phosphorylase a + 4 H O Phosphatase 2 Phosphorylase b + 4Pi

khác nhau, sự điều hòa hoạt động của chúng cũng theo những cơ chế khác nhau Sự khác biệt này rõ rệt nhất ở hai mô gan và cơ

Enzyme cắt nhánh (debranching enzyme) là một enzyme có hai chức năng, chức

năng thứ nhất là chức năng chuyển nhánh (transferase), có tác dụng cắt liên kết α glucosidở sát gốc nhánh rồi chuyển một đoạn mạch thẳng đó đến gắn vào một đoạn mạch

1-4-khác bằng cách tạo ra một liên kết α 1-4 glucosid 1-4-khác Enzyme cắt nhánh còn có chức

năng thứ hai là thể hiện hoạt tính amylo 1-6 glucosidase, có tác dụng thủy phân liên kết α 1-6 glucosidcủa các nhánh chỉ còn lại một phân tử glucose, giải phóng phân tử glucose tự

do

Các giai đoạn thoái hóa:

Hai enzyme chính tham gia vào quá trình thoái hóa glycogen thành glucose là glycogen phosphorylase và phosphoglucomutase Có thể chia thành 3 giai đoạn:

3.1 Thủy phân mạch thẳng của phân tử glycogen

Glycogen phosphorylase xúc tác phản ứng cắt gốc glucose tận cùng ở đầu không khử của mạch thẳng glycogen Đó là phản ứng thủy phân liên kết α 1-4 glucosid với sự tham gia của phosphat vô cơ (Pi) tạo thành α D-glucose-1-phosphat (G1P) và chuỗi mach thẳng của phân tử glycogen ngắn đi một phân tử glucose (hình 3.1)

Hình 3.1 Thủy phân mạch nhánh của glycogen

Quá trình này được lặp lại nhiều lần, tách dần từng gốc glucose dưới dạng G1P cho tới khi mạch đang thoái hóa chỉ còn lại 4 đơn vị glucose tại một điểm nhánh (α 1-6) thì dừng lại (hình 3.2)

Tiếp đó, enzyme cắt nhánh thể hiện hoạt tính chuyển nhánh sẽ cắt một đoạn 3 gốc glucose của đoạn còn lại, bằng cách thủy phân liên kết α 1-4 glucosid giữa gốc thứ nhất

và thứ hai tính từ gốc nhánh, rồi chuyển đoạn có 3 gốc glucose đó đến gắn vào đầu một chuỗi thẳng khác bằng cách tạo một liên kết α 1-4-glucosid khác Nhánh glycogen mới này sẽ dài thêm 3 gốc glucose, tạo điều kiện cho phosphorylase tiếp tục tác dụng Phần

+ Phản ứng xúc tác của phosphorylase này không giống với phản ứng thủy phân liên kết glycosid bởi amylase trong ống tiêu hóa đối với glycogen hay tinh bột: Một số năng lượng của liên kết được giữ lại trong quá trình tạo este G1P

+ Pirydoxal photphat là cofactor chủ yếu trong phản ứng xúc tác của glycogen

phosphorylase, nhóm phosphat của nó đóng vai trò là một chất xúc tác acid kích thích Pi tấn công vào liên kết glycosid (khác với vai trò cofactor của pyridoxal phosphat trong chuyển hóa acid amin)

3.2 Thủy phân mạch nhánh của phân tử glycogen

Khi mạch nhánh chỉ còn lại một gốc glucose, enzyme cắt nhánh thể hiện hoạt tính

amylo 1-6 glucosidase, thủy phân liên kết α 1-6 glucosid của gốc glucose còn lại ở nhánh

để giải phóng ra glucose tự do

Như vậy, dưới tác dụng của hệ thống enzyme thoái hóa glycogen nêu trên, phân tử glycogen sẽ chuyển hoàn toàn thành các phân tử glucose 1 phosphat (93%) và glucose tự

do (khoảng 7%)

Ở các mô, G1P sẽ được đồng phân hóa nhờ enzyme phosphoglucomutase để tạo thành glucose 6 phosphat (G6P) Glucose tự do cũng được phosphoryl hóa với sự tham gia của 1 phân tử ATP và enzyme hexokinase để tạo G6P G6P sẽ đi vào các con đường thoái hóa tiếp theo

Hình 3.3 Hoạt tính amylo 1-6 glucosidase

Riêng ở mô gan, chỉ một phần nhỏ G6P được tiếp tục thoái hóa để đáp ứng nhu cầu chuyển hóa của tế bào gan, còn lại phần lớn G6P sẽ bị thủy phân nhờ tác dụng của

enzyme glucose 6 phosphatase để tạo thành glucose tự do, thấm qua màng tế bào, vào

4.1 Glycogen là nguồn năng lượng quan trọng của cơ thể

Glycogen là nguồn năng lượng quan trọng của cơ thể và là nguồn năng lượng chính

cho các vận động Về mặt hóa học, glycogen chỉ đơn giản là một carbohydrate phức - đặc

biệt là một polysaccharide, đây là một chuổi polymer dài của các phân tử đường glucose

Về mặt sinh học, glycogen tạo thành một nguồn tích trữ năng lượng từ carbohydrate trong cơ thể Năng lượng này được sử dụng khi cơ thể đột ngột cần lượng đường glucose lớn, ví dụ điển hình là khi luyện tập với cường độ cao trong thời gian ngắn

Glycogen được tích trữ chủ yếu trong gan và trong các tế bào cơ xương Mặc dù phần trăm glycogen trong tế bào cơ (1-2%) ít hơn nhiều so với trong gan (8-10%), tổng lượng glycogen trong tế bào cơ lại lớn hơn nhiều do khối lượng cơ lớn trong cơ thể Vậy nguồn năng lượng tích trữ từ glycogen khác với nguồn năng lượng tích trữ từ

mỡ Thứ nhất, glycogen bản chất là carbohydrate chứa ít năng lượng hơn so với mỡ, nhưng luôn sẵn sàng để được sử dụng Thêm nữa, glycogen tích trữ chủ yếu ở gan và cơ, khác với mỡ được phân bố khắp cơ thể dưới dạng mỡ dưới da

Năng lượng từ glycogen sinh ra khi phân tách thành từng phân tử glucose riêng lẻ (với tác động của enzyme glycogen phosphorylase), đây là nguồn năng lượng chính cho

tế bào Trong gan, quá trình này được bắt đầu bởi glucagon, một hormone sản xuất bởi tuyến tụy Lượng glucagon liên quan trực tiếp với lượng đường / glucose trong máu

4.2 Tác dụng ổn định đường huyết

Khi đường huyết thấp - khi đó bạn sẽ cảm thấy mệt mói, đuối sức - nhiều glucagon ở gan và adrenalin ở cơ được tiết ra, hormone này khi đó lại lệnh cho gan phân rã glycogen thành đường glucose và chuyển vào máu để đưa đường huyết về mức bình thường Khi đường huyết cao, hormon insuline lại được tiết ra, nó lệnh cho gan tổng hợp glycogen từ glucose và tích trữ glycogen đưa đường huyết vè mức bình thường Khi đường huyết về mức bình thường, bạn bắt đầu cảm thấy cơ thể dồi dào năng lượng trở lại Như vậy ngoài việc cung cấp năng lượng, glycogen còn có tác dụng ổn định đường huyết

Trong cơ bắp sự phân rã glycogen được kích thích bởi vận động co giãn cơ, như diễn

ra trong khi luyện tập Các bài tập càng nặng, càng nhiều glycogen cơ thể phải chuyển thành glucose để cung cấp năng lượng Tuy nhiên vì gan chỉ có thể cất trữ được một lượng giới hạn glycogen, cuối cùng bạn cũng sẽ cạn kiệt lượng glycogen nếu bạn không cung cấp trở lại cho cơ thể

Phải nói thêm rằng glycogen trong gan sẽ được chuyển hóa vào máu và đưa tới tất cả các cơ quan Ngược lại, glycogen trong cơ bắp chỉ có thể được sử dụng bởi cơ bắp do cơ bắp không có enzyme giúp chuyển glucose vào máu

4.3 Bệnh dự trữ glycogen (Glycogen Storage Disease = GSD)

+GSD III còn gọi là bệnh Cori: với type bệnh dự trữ glycogen này, thiếu enzyme debrancher khiến cơ thể tạo ra những phân tử glycogen có cấu trúc bất thường Cấu trúc bất thường này ngăn cản glycogen ly giải thành glucose tự do

+GSD IV còn gọi là bệnh Amylopectinosis: trong bệnh dự trữ glycogen type IV này, không thấy có tăng lượng glycogen trong các mô Thay vào đó, glycogen tích luỹ có rất nhiều nhánh dài bên ngoài, do khiếm khuyết về di truyền của enzyme phân nhánh

(branching enzyme) Glycogen bất thường này kích thích hệ miễn dịch của cơ thể tạo ra các kháng thể tự miễn Hậu quả là hình thành nhiều xơ sẹo trong gan, tim và các bắp cơ

4.3.2 Nguyên nhân

Khi glucose được chuyển đổi thành glycogen, mỗi bước đều cần có một enzyme khác nhau Khi một trong những enzymes này có bất thường và không đảm nhận được vai trò của mình, quá trình chuyển hoá sẽ ngừng lại Các khiếm khuyết enzyme chuyển đổi này sẽ gây ra bệnh dự trữ glycogen (GSD)

GSD là một bệnh di truyền xảy ra do thừa hưởng gene khiếm khuyết từ cả cha

lẫn mẹ Nếu cả cha lẫn mẹ đều mang gene khiếm khuyết, sẽ có:

+Khả năng 25% con của họ sẽ mắc bệnh

+Khả năng 50% con họ sẽ nhận được một gene khiếm khuyết từ cha hoặc mẹ,

nghĩa là con sẽ không có triệu chứng bệnh nhưng có mang “mầm mống” của bệnh +Khả năng 25% con của họ sẽ nhận được cả hai gen bình thường từ cha mẹ và

sẽ không mắc bệnh GSD

4.3.3 Triệu chứng và dấu hiệu của bệnh

Triệu chứng thay đổi tuỳ theo enzyme bị thiếu Triệu chứng thường là hậu quả của việc tích tụ glycogen hoặc do việc mất khả năng sản xuất ra glucose khi cần thiết Do bệnh dự trữ glycogen (GSD) chỉ xảy ra chủ yếu ở các cơ và gan, các vị trí này sẽ bộc lộ triệu

Tuổi khi xuất hiện triệu chứng và độ nặng nhẹ tuỳ thuộc vào type của GSD Trẻ

em bị GSD typ I ít khi phát triển thành xơ gan, nhưng chúng sẽ có nguy cơ cao bị adenoma gan Có thể nói rằng GSD typ III là một dạng nhẹ hơn của GSD typ I Đó cũng

là một nguyên nhân hiếm gặp gây suy gan Tuy nhiên, nó có thể gây sợi hoá ở gan (liver fibrosis =hoá sẹo sớm của gan, do những tổn thương, nhiễm trùng hoặc phản ứng viêm khi đã hồi phục tạo thành) Glycogen tích tụ trong gan sẽ khiến tế bào gan sưng phù lên- Gan to ra và thoái hoá mỡ

Bệnh dự trữ glycogen týp II là một bệnh của cơ và không gây ảnh hưởng gì đến gan Bệnh dự trữ glycogen týp IV gây xơ gan; nó còn có thể gây ra những rối loạn về chức năng của tim và các cơ Trẻ em bị GSD typ IV bẩm sinh được chẩn đoán dựa trên gan to

và không tăng trưởng trong năm đầu tiên; chúng thường phát triển thành xơ gan khi được

3 – 5 tuổi

4.3.4 Các type bệnh dự trữ glycogen

Các Triệu chứng và dấu hiệu, ngoài tình trạng tích tụ glycogen

+Typ I, Gan thiếu enzyme Glucose-6-phosphatase (Bệnh von Gierke's )

→ Rối loạn chức năng gan và tử vong sớm

+Typ V, Thiếu enzyme Glycogen Phosphorylase ở cơ (Bệnh McArdle's)

+ Các rối loạn tăng trưởng

+Kết quả xét nghiệm máu bất thường, men gan tăng, rối loạn chuyển hoá lipid, tăng uric acid máu v.v

Thực hiện xét nghiệm mẫu mô gan xem có thiếu một số enzym hay không? Chẩn đoán xác định bằng cách sinh thiết cơ quan bị tổn thương, cho thấy có tích tụ glycogen và mất hoạt động của các enzyme

độ glucose cao Điều này sẽ giúp kiểm soát được lượng đường máu Cần dùng ống sonde

dạ dày mỗi tối cho trẻ nhỏ , nhưng sau này khi chúng lớn lên thì có thể sẽ không còn cần thiết nữa Ban ngày sẽ rút sonde dạ dày, nhưng bịnh nhi sẽ cần phải ăn nhiều thức ăn giàu đường bột mỗi 3 giờ Cách thức điều trị này có thể hiệu quả trong việc cải thiện lại tất cả các triệu chứng của bệnh

Thuốc men: bệnh dự trữ glycogen (GSD) có khuynh hướng khiến cho acid uric (một

KẾT LUẬN

Glycogen là chất dự trữ glucid của động vật, có thể coi glycogen như là "tinh bột" của động vật, có nhiều ở gan ( chiếm 5-7% khối lượng của gan) ở cơ nó chiếm 2% khối lượng của cơ, do khối lượng cơ là lớn nên glycogen có ở cơ là chính

Khi nồng độ glucose trong máu tăng cao, glycogen được tổng hợp Quá trình tổng hợp glycogen xảy ra ở mọi tổ chức nhưng mạnh nhất là ở gan và cơ xương Ở gan, glycogen đóng vai trò dự trữ glucose và sẵn sàng cung cấp glucose cho các tổ chức khác sử dụng, đồng thời nó đảm bảo mức đường huyết hằng định trong máu kể cả thời điểm xa bữa ăn Còn ở cơ, glycogen được dùng để thoái hóa thành glucose theo con đường Đường phân, cung cấp năng lượng ATP cho sự co cơ

Glycogen là nguồn năng lượng quan trọng của cơ thể và là nguồn năng lượng chính cho các vận động Về mặt sinh học, glycogen tạo thành một nguồn tích trữ năng lượng từ carbohydrate trong cơ thể Năng lượng từ glycogen sinh ra khi phân tách thành từng phân

tử glucose riêng lẻ (với tác động của enzyme glycogen phosphorylase), đây là nguồn năng lượng chính cho tế bào Ngoài việc cung cấp năng lượng, glycogen còn có tác dụng

ổn định đường huyết

Quá trình tổng hợp glycogen, mỗi bước đều cần có một enzyme khác nhau Khi một trong những enzymes này có bất thường và không đảm nhận được vai trò của mình, quá trình chuyển hoá sẽ ngừng lại Các khiếm khuyết enzyme chuyển đổi này sẽ gây ra bệnh

dự trữ glycogen (GSD) GSD là một bệnh di truyền xảy ra do thừa hưởng gene khiếm khuyết từ cả cha lẫn mẹ